Informační modelování v infrastrukturních stavbách Ing. Josef Žák, Ph.D. * ; Ing.Jordy E. Brouwers **
* České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra silničních staveb, Thákurova 7, Praha 6, 160 00, Česká republika ** Geonius, Postbus 118, 6400 AC Heerlen, Nizozemí
Anotace: Informační modelování (BIM) je tématika, která v posledních letech prochází významným rozvojem a nachází své uplatnění v českém stavebnictví. V rámci informačního modelování je používána celá řada programů, technologií a postupů vyžadující znalosti stavebnictví, informačních technologií, systémového inženýrství a správy dat. Příspěvek se zabývá uplatněním informačního modelování v dopravních stavbách. V úvodu článku jsou popsány procesy spojené s využitím informačního modelování. Jejich konkrétní význam je dále popsán na příkladu dálnice A4 v Nizozemí. Přesněji výstavbě úseku dálnice A4 mezi městy Delft a Schiedam. V závěru článku je zmíněn právě probíhající vývoj programu RIRI na FSv ČVUT a popis použití tohoto programu.
Klíčová slova: Informační modelování, BIM, správa dat projektu, dálnice A4 Nizozemí, RIRI
Úvod BIM, zkratka přejatá z angličtiny, se v posledních letech ujala ve slovníku českého stavebnictví. V anglickém názvu Building Information Modeling (BIM), je slovem building myšlena spíše stavba než samotná budova a používání českého, třebaže méně ustáleného, názvu „Informační modelování“ je podle mého názoru výstižnější. Mnou oblíbená definice Informačního modelování je krátká: Je to proces vytváření a správy dat stavby. Tento proces nabývá na významu spolu se zlepšujícími se softwarovými nástroji, respektive možnostmi a aplikacemi, které nám programy používané ve stavebnictví a pro správu staveb umožňují. Tento proces správy a vytváření dat je v současné době požadován v několika státech EU ve fázi projektové přípravy pro zakázky financované z veřejných zdrojů a požadován celou řadou erudovaných investorů a developerů ze soukromého sektoru jak světově, tak u nás v České republice. Informační modelování je s výhodou uplatňováno v projektech využívajících systému Design-Build a PPP.
Použití informačního modelování V odborné veřejnosti se vedou diskuze o jednotlivých použitích informačního modelování a „zralosti“ tohoto procesu k aplikaci na jednotlivých stavbách. Informační modelování je proces, který není zcela vyvinutý, ani být nemůže, respektive vývoj informačního modelování následuje vývoj ve stavebních a informačních technologiích. Stejně jako se každá stavba nedá postavit podle stejné metodiky, tak informační model budovy, jeho struktura a využití je nutno přizpůsobit přímo na míru potřebám dané stavby. Chceme-li tedy využívat principů informačního modelování, je potřeba nejdříve stanovit, která témata a procesy chceme uplatnit a jaký přínos tato témata pro dané dílo mají. Tomu se pak přizpůsobuje zvolená struktura informačního modelu a úroveň detailu. Je především rolí investora, aby jako dobrý hospodář svojí erudicí uměl rozlišit, výhody informačního modelování pro danou stavbu a volil tak správnou metodiku tvorby a správy dat. Informační modelování je tématika velmi
rozsáhlá, zpravidla se její význam popisuje zvlášť z pohledu investora, projektanta, zhotovitele a správce. Vybrané přínosy pro infrastrukturní stavby lze zmínit v následujících bodech: -
Usnadnění spolupráce projekčního týmu na projektu
-
Zjednodušené předání projektových dat
-
Použití 3D modelů
-
Usnadnění komunikace a koordinace projektu
-
Sdílení aktuálních informací v průběhu jednotlivých fází stavebního díla
-
Prostředek pro správu dat pro víceoborové týmy a stavební díla
-
Detekce kolizí a jejich prevence v dřívějších fázích projektu
-
Optimalizace výstavby časově prostorovou simulací
-
Použití řízených stavebních strojů
-
Kontrola objemů, více/méně prací
-
Kontrola kvality
-
Využití dat během správy a životního cyklu stavby
Na obrázku 1 je zobrazena McLeamyho křivka zobrazující závislost úsilí potřebného k vyhotovení projektové dokumentace a informačního modelu v jednotlivých stupních tvorby projektové dokumentace. Z tohoto grafu je patrné, že největší množství úsilí k tvorbě informačního modelu je nutné vynaložit pro tvorbu předchozích stupňů dokumentace než je tomu při tvorbě dokumentace metodou klasickou. Náklady na zapracování změny v projektové dokumentaci se na druhou stranu zvyšují spolu s časem a stupněm projektové dokumentace. Vezmeme-li tedy v úvahu náklady na zpracování změny v projektové dokumentaci, pak návrh stavby s použitím informačního modelování je schopen dříve odhalit nutnost provedení změny návrhu, a tedy za nižší cenu ji zapracovat.
Obrázek 1 – McLeamyho křivka
Definice procesů Informační modelování je tedy proces vytváření a správy dat stavby. Stejně jako se pro danou stavbu definují cíle informačního modelování, je potřeba stanovit systém, jimž budou tyto procesy aplikovány. Tedy nejdůležitějším aspektem je postup aplikace informačního modelování k dosažení daných cílů s ohledem na ekonomická a technická omezení. V tomto ohledu se jedná o systémové inženýrství. Tyto systémy je potřeba definovat předem. Sytém, zpravidla na úrovni vnitřního firemního předpisu, určuje především, kdo se bude zabývat jednotlivými částmi (komponenty) informačního modelu, kdy se budou kontrolovat a jakým způsobem, jak jednotlivé komponenty integrovat do jednoho celku (modelu), jaké kolize a napojení komponent, v jakých fázích budou kontrolovány a v jaké formě budou data spravována. Definice takového systému je tedy unikátní pro danou stavbu a jejich tvorba je součástí know-how jednotlivých firem. Definice takového systému vyžaduje znalost projekčních procesů, výstavby, modelování, programových možností, principů programování a systémového inženýrství. Tedy zpravidla vyžaduje specialistu věnujícího se informačnímu modelování pro dané typy staveb. I vzhledem k termínům daným na přípravu jednotlivých stupňů projektových dokumentací, překryvu jednotlivých oborů a rozsáhlosti staveb je potřeba tyto systémy definovat předem. Dle plánu se pak při zadání zakázky může každý článek věnovat konkrétní činnosti tvořící kompatibilní celek. Takto definované systémy jsou pak velmi efektivním nástroje pro koordinaci a kontrolu přípravy stavby. Vybrané procesy, které je potřeba určit: -
Kdo tvoří jaký model
-
Jaké nástroje budou pro tvorbu modelu použity
-
Co je vstupem a výstupem těchto modelů
-
Systémy a konvence značení a kódování
-
Systémy kontroly modelů
-
Modelovaná etapovitost
-
Způsoby integrace modelů
-
Správa dedikovaného úložiště
-
Licence SW a jejich využití
-
McLeanův přístup
-
Úrovně detailů
Změny v organizaci: -
Větší efektivita přípravy projektové dokumentace
-
Modelování místo kreslení
-
Generování projektové dokumentace z modelu a její anotace
-
Práce více členů na jednom modelu
-
Návrh – použití McLeanovo a konkurenčního inženýrství
-
Přípravné fáze – dostupnost modelu
-
Výstavba – kontroly, časoprostorové simulace
-
Minimalizace rizik
Dopady v organizaci: -
Řízení projektu – usnadňuje a motivuje užívání informačního modelu
-
Návrh – používání McLeanovo a konkurenčního inženýrství
-
Přípravné práce – dostupnost modelu
-
Marketing – použití informačního modelů jako nástroje marketingu
-
Výstavba – motivuje použití řízených stavebních strojů
-
Kontrola – zjednodušení provádění kontrol a porovnávání stavby s projektovými daty
Projekt A4 – Nizozemí Jeden z příkladů, kde je využíváno principů informačního modelování v infrastrukturních stavbách, v tomto případě stavbách pozemních komunikací, je projekt dálnice A4 v Nizozemí. Dálnice A4 propojuje tři ze čtyř nejvýznamnějších nizozemských měst: Amsterdam, Haag, Rotterdam a na hranicích s Belgií navazuje na dálnici A12 do Antwerp. V této trase je dálnice rozdělena do třech v současné době nepropojených úseků. Současná celková délka dálnice A4 je 115km. Úsek dálnice A4 mezi městy Delft a Schiedam byl po dobu šedesáti let vyhrazen pro vybudování velkokapacitního spojení, které je do dnešního dne realizováno prostřednictvím rychlostní silnice E19. Zmíněná chybějící část způsobuje ve špičkových hodinách kongesce na trase mezi Rotterdamem a Haagem a v roce 2006 bylo tedy rozhodnuto ministryní dopravy o vybudování této části. Hodnota projektu je 350mil Eur. Ve fázi návrhu se na projektu podílelo přibližně 200 lidí a v létě 2013 během výstavby 800 lidí. Konec výstavby je plánován v roce 2015. Již v prvotním návrhu jednotlivých variant bylo používáno koncepčních nástrojů pro tvorbu vizualizací. Tyto vizualizace byly použit pro hodnocení jednotlivých variant návrhu a výběru finální varianty. Pro naše podmínky může být zajímavostí projektu také to, že součástí stavby je výstavba eco-aquaductu umožňujícího lodní přepravu, zavlažování přilehlých zemědělských pozemků a migraci vodních živočichů. Tímto křížením je definováno nejnižší místo projektu. V místech vznikající zvýšené hlukové zátěže z dopravy je trasa vedena v přesypaném tunelu. Přidaná hodnota projektu: -
Dočasné konstrukce a výstavba v 3D
-
Integrace modelu, analýza návazností
-
Detekce kolizí
-
Vizualizace
-
Generování výkresů
-
Časoprostorové simulace
-
Detaily konstrukcí ve 3D
-
Podklady pro řízené stavební stroje
-
Výkazy výměr z dynamických modelů a jejich optimalizace
-
Ověření shody záměru s objednatelem a využití modelu pro správu
-
Informační model jako podklad pro koordinaci stavby
-
Kontrola kvality, více / méně prací
Obrázek 2 – Ukázka výkresu generovaného z informačního modelu stavby, portál tunelu, kombinace technických výkresů a vizualizací.
Na obrázku 2 je příklad výstupu informačního modelování z projektu dálnice A4. Jak je patrné z obrázku, jsou používány nejen generované příčné řezy, ale výkres je doplněn vizualizacemi. Tato vizualizace napomáhá rychlé orientaci v dokumentaci a doplnění představy o díle. V tomto případě se jedná o portál tunelu, kdy v levo je vizualizace rozestavěného portálu a vpravo je portál ve finální podobě. Díky možnosti zadání průhlednosti jednotlivých částí jsou ve vizualizaci zobrazeny i části zakryté. Takto doplněný obrázek umožňuje snadnější a přesnější představu o budovaném objektu před jeho finální realizací. Detekce kolizí ve fázi návrhu projektu Dokumentace od jednotlivých profesí a subdodavatelů byla vložena do jednoho společného informačního modelu. Tento společný model následně umožňuje kontrolu kolizí. Jedná se především o kolize následujících objektů: Konstrukční vrstvy, zemní práce, dopravní značení, svodidla, technologie, protihlukové stěny, dočasné konstrukce, systémy osvětlení, sítě, okolní prostředí – budovy, stávající objekty. K datům vytvořeným v projekční fázi byly při vypracování projektové dokumentace pro provádění stavby přidána data charakterizující postup výstavby. Bylo využito dynamického propojení mezi programy používanými pro tvorbu harmonogramů a programy použité pro časoprostorové analýzy. Tedy na základě těchto dat byla provedena časoprostorová simulace výstavby a harmonogramy byly zpětně upraveny dle výsledků simulací za účelem zefektivnění výstavby. V projektu dálnice A4 byly analyzovány i tzv. měkké kolize, tedy kolize dopravy materiálu s probíhající výstavbou. Probíhající využití dat zhotovitelem stavby
Pro potřeby stavby bylo vytvořeno dedikované úložiště dat v místě stavby, kde je umístěný aktualizovaný obraz díla. Informační model stavby je přístupný prostřednictvím bezplatných prohlížečů pro zhotovitele. Používání tohoto modelu je evidováno až na úroveň nižších techniků výstavby. Hlavní využití informačního modelu je především geodety, speciálními techniky zajišťujícími přípravu stavby a jako podkladu pro řízené stavební stroje, kde představuje použití informačního modelu úsporu nákladů zhotovitele.
V rámci stavby je model dále rozšiřován o data vznikající během výstavby. Jedná se především o doplnění záručních podmínek, údaje o realizaci (teplota, povětrnostní podmínky), k technologiím pak manuály a údaje o údržbě, záruční listy, specifikace dodavatele, protokoly z kontroly vnitřního systému výroby a zkoušky materiálů. Informační model je využíván správcem stavby ke kontrole kvality, kontrole úrovně výstavby a odpovídající fakturaci. Možností použití informačního modelu je generace systému QR kódů, jimiž jsou označeny jednotlivé části dodávaných celků stavby. Inspektoři stavby jsou vybaveni mobilními čtečkami kódů (mobilní telefon s příslušnou aplikací). Načtením kódu se stvrzuje jak umístění jednotlivé části, tak její provedení. Databáze jak pak používána v rámci kontroly zvláštních technických kvalitativních podmínek (ZTKP). Databáze obsahuje specifikaci jednotlivých součástí, datum požadavku kontroly, identifikaci osoby kontrolující součást, datum a čas kontroly, stav – vyhovuje/nevyhovuje/ nevyhovuje provedení a poznámky. Jednotlivé části projektové dokumentace jsou taktéž vybaveny QR kódy. Při načtení tohoto kódu se uživateli objeví informace o aktuálnosti dokumentu (nebo výkresu). Prostřednictvím používané aplikace je možné objednat výtisk aktuální verze. Tento Informační model bude po skončení výstavby předán k využití pro účely správy investorovi. Za zmínku stojí také způsob komunikace projektu k veřejnosti. Na webových stránkách projektu jsou umístěny vizualizace jednotlivých částí, které umožnují lepší komunikaci s veřejností. Odpovědi na dotazy netechnické veřejnosti jsou zasílány a prezentovány na místo technických výkresů vizualizacemi zobrazujícími finální podobu stavebního díla. Tato forma je veřejností upřednostňována a přispívá k pozitivnímu vnímání probíhajícího procesu výstavby.
Informační modelování v projektu CESTI Jedním z témat právě probíhajícího projektu CESTI je právě informační modelování v dopravních stavbách. Aktivity probíhající v rámci projektu lze tematicky rozdělit do dvou oblastí. První oblastí je snaha o zavedení možnosti použití principů informačního modelování v infrastrukturních stavbách financovaných z veřejných zdrojů a v dopravních stavbách obecně. Tedy je vedena diskuze s odbornou veřejností, partnery průmyslu a zástupci investora (ŘSD ČR a MD) o možnostech, přínosech a úskalích při používání informačního modelování. Jako příslib toho, že se snad blýská v tomto ohledu na lepší časy lze považovat právě probíhající revizi metodického předpisu C2 – Předpis pro předávání digitální projektové dokumentace pro Ředitelství silnic a dálnic ČR. Druhou aktivitou je vývoj konkrétních řešení spadajících do tématiky informačního modelování stavby. Pro využití dat informačního modelu a podkladů z laserového skenování byl vyvinut program RIRI, který umožňuje stanovovat podélné, příčné nerovnosti a Mezinárodní index nerovnosti (IRI) z dat laserového skenování a informačního modelu. Vyvinutý program RIRI je právě testován na vybraných úsecích dopravních staveb a je prováděno srovnání měření provedené klasickými metodami (zkouška latí a měření přesnou nivelací) s výsledky získanými programem RIRI.
Poděkování: Tato publikace vznikla za podpory Evropského sociálního fondu v rámci realizace projektu „Podpora zkvalitnění týmů výzkumu a vývoje a rozvoj intersektorální mobility na ČVUT v Praze“ CZ.1.07/2.3.00/30.0034. Období realizace projektu 1. 12. 2013 – 30. 6. 2015
